机载无线激光通信对准-捕获-跟踪系统及动态飞行试验研究

机载无线激光通信具有通信速率高、抗干扰能力强、保密性好、布置灵活等优点,在天地一体化高速信息网络、军用保密通信、电磁干扰环境下可靠通信等应用中有着广阔前景。为解决机载环境下激光通信光轴对准难题,通过对无线激光通信系统特点和Y-12型飞机平台特性的分析,采用粗、精两级复合跟踪方案,设计了由被动减震结合主动抑制的粗跟踪单元和电磁振镜精跟踪单元组成的机载无线激光通信对准、捕获、跟踪(PAT)系统。Y-12飞机搭载该系统开展了双固定翼飞机间远距离、高速机载激光通信试验,验证了所设计的机载无线激光通信PAT系统的跟踪性能和机载环境适应性。     

库德式激光通信终端粗跟踪技术

在库德式通信终端中,望远单元和库德反射镜与电荷耦合器（CCD）探测器之间的相对运动导致光路结构随通信终端姿态变化而改变,使得控制难度增大。为解决这一问题,利用矩阵光学方法建立库德式激光通信终端的CCD测角模型,设计基于模型-PID的控制算法,搭建实验测试系统验证了该算法在瞄准、捕获和跟踪过程中的性能。结果表明：利用实测数据对测角模型进行静态验证时,计算精度的均方根误差优于9 μrad;加入角速度0.1°/s、幅值0.1°的正弦扰动信号进行跟踪测试时,实测动态跟踪误差的标准差优于21 μrad（1σ）,满足激光通信对于粗跟踪单元50 μrad（1σ）跟踪精度的需求。     

潜望式激光通信终端的扰动抑制与动态跟踪方法

潜望式激光通信终端系统内部执行机构的力矩脉动以及外部扰动等因素,会影响通信链路建立过程中伺服系统的跟踪精度与稳定性。为提高伺服系统的抗干扰能力与跟踪性能,采用降低执行结构的力矩波动、提升系统运行速度平稳性的方法,对系统的低速平稳性以及动态跟踪过程进行测试和分析;通过通信终端控制系统的动态跟踪实验,验证控制策略的有效性。实验结果表明：在最大速度为0.131°/s、最大加速度分别为0.137°/s²、0.329°/s²的平台扰动条件下,方位轴和俯仰轴的粗精复合跟踪精度都可以达到2 μrad以内,验证了通信终端伺服系统的抖动抑制能力及其系统的动态跟踪性能。     

自由空间激光通信平台振动模拟实验系统研究

为了对自由空间激光通信中的高精度、复合轴捕获、跟踪和瞄准(APT)系统的关键技术进行验证,需要对平台的振动或扰动进行半实物仿真。在对通信平台振动功率谱进行分析的基础上,基于MATLAB/Simulink建立了平台振动半实物模拟实验系统,通过半实物仿真得出平台的振动时域信号及其振动功率谱。通过CCD闭环检测,证明了平台振动模拟结果真实有效。将模拟产生的振动信号作为自由空间激光通信复合轴APT实验系统的激励,实现了在模拟振动和运动条件下对复合轴APT跟踪系统的实验室验证。     

自由空间光通信APT粗跟踪CCD相机的研制

在自由空间激光通信系统中,通信双方对对方目标的捕获、对准、跟踪( APT)是通信过程中的重要环节。针对粗跟踪子系统的特点和要求,研制了光端机粗跟踪相机,从而实现对信标激光的捕获。该相机使用TC237B面阵CCD,可根据串口命令实时调节光积分时间、内部增益倍数、图像亮度偏置等参数,采用高速Camera Link数字输出接口。还具有根据命令选择驱动方式的功能,开窗口模式下输出256×256像元时帧频可达到100 f/s,满足粗跟踪伺服带宽的要求。     

机载空间激光通信大气附面层影响及补偿技术研究

随着空间激光通信技术的发展,大气环境对机载空间激光通信的影响越来越突出,大气附面层是其中一个重要的因素。为了研究大气附面层对通信的影响,在机载激光通信试验中观察现象的基础上,从衍射光学理论着手,对试验中存在的附面层影响进行理论上探讨。研究结果表明：大气附面层对空间激光通信的影响,是在系统前附加一个焦距在-530 m的负透镜,造成系统焦距变化,光斑扩散,从而影响通信效果。这种影响可以通过在系统中增加补偿透镜的方式进行补偿,并进行了相应的补偿试验。试验结果表明：大气附面层对空间激光通信的影响,完全可以通过光学方法进行补偿,补偿效果满足空间通信要求,为以后机载空间激光通信的发展奠定了良好基础。随着空间激光通信技术的发展,大气环境对机载空间激光通信的影响越来越突出,大气附面层是其中一个重要的因素。为了研究大气附面层对通信的影响,在机载激光通信试验中观察现象的基础上,从衍射光学理论着手,对试验中存在的附面层影响进行理论上探讨。研究结果表明：大气附面层对空间激光通信的影响,是在系统前附加一个焦距在-530 m的负透镜,造成系统焦距变化,光斑扩散,从而影响通信效果。这种影响可以通过在系统中增加补偿透镜的方式进行补偿,并进行了相应的补偿试验。试验结果表明：大气附面层对空间激光通信的影响,完全可以通过光学方法进行补偿,补偿效果满足空间通信要求,为以后机载空间激光通信的发展奠定了良好基础。     

星间激光通信终端精跟踪性能地面测试和分析

分析了基于四象限探测器的精跟踪子系统的性能,利用星间激光通信终端样机对精跟踪子系统性能进行测试,并进行了粗跟踪子系统对精跟踪子系统性能的影响测试,通过频谱分析表明,粗跟踪对系统精跟踪性能的影响主要出现在小于200Hz的低频范围、幅度低于45μrad,与卫星在轨微振动谱对系统性能的影响类似,可以统一考虑;对精跟踪子系统性能测试结果表明:精跟踪子系统可以有效补偿卫星平台振动和粗跟踪误差,跟踪精度优于3μrad,可以满足星间激光通信跟踪精度要求。     

机载激光通信稳瞄吊舱设计与跟踪精度测试

针对飞机姿态扰动和强烈震动条件下激光通信中的光轴稳定问题,研制了粗精复合跟踪机构,并对减振器安装结构形式进行了分析,完成了减振系统设计和伺服系统仿真。在此基础上开展了飞机姿态和振动特性测试,根据测试结果,绘制了振动试验曲线。进行室内仿真检测和外场飞行测试的试验结果表明,在大气信道条件下,粗跟踪吊舱跟踪精度优于23.97 μrad,精跟踪精度优于7.03 μrad. 对比实验室和外场测试环境的差异,可知大气干扰引起的光斑闪烁是导致跟踪精度下降的主要原因,为系统指标分配和吊舱跟瞄精度的提高提供了参考。     

星间激光通信信标跟踪无焦光学系统设计

针对星间激光通信的特点,通过无焦光学系统的入瞳、出瞳比例的设计,有效控制四象限探测器光斑尺寸,研制了小型粗精信标跟踪光学系统。对畸变、点列图、足迹图、能量集中度等系统性能进行了评价,表明无焦光学系统可用于信标跟踪探测。     

基于Simulink的机载蓝绿激光对潜通信仿真

蓝绿激光通信因其自身的特点,是对潜通信的理想手段．基于此,提出了利用机载蓝绿激光进行对潜通信以实现飞机与潜艇之间的双向、隐蔽通信．分析并建立了潜艇的捕获通信模型,并进行了仿真分析,仿真结果表明,利用机载蓝绿激光进行对潜通信具有广泛的应用前景．     

某ATP 训练模拟装置仿真实现技术

为满足提高训练模拟效果的需要,从某捕获跟踪瞄准系统的实际特点出发,设计了训练模拟装置的分布式实现模式.以该模式为基础,对模拟装置的实现模式、软件结构框架、ATP系统各模块仿真模型、基于HLA/RTI的时间管理和多种人机交互形式等关键技术的实现进行研究,并采取与实装一致的交互面板和完全实时的时间同步.结果表明:该装置能实现对实装系统的单杆跟踪、电视跟踪等科目的模拟和训练,保证训练效果,提升训练质量.     

方位俯仰跟踪框架下的角偏差无奇点修正方法

分析回顾了雷达工程中,当前通用的方位俯仰极坐标框架下,无线电雷达跟踪测量系统角偏差正割补偿修正方法的由来及其局限性;提出了跟踪指向坐标系的定义。利用坐标转换原理给出了一种简便易行的偏差无奇点精确修正推导新方法,并证明了新方法与通用的基于立体几何推理方法的等价性,同时分析了新方法在雷达轴系偏差修正中的典型应用及其对系统跟踪测量精度的影响。对于89°仰角、方位俯仰角偏差均为3 mrad的情形,正割补偿修正法指向计算存在6 759.2″ 的方位角误差和63.5″的俯仰误差。新的推理方法有利于极坐标框架下的空间目标高精度跟踪与测量,尤其是高仰角过顶跟踪性能、指向精度和跟踪数据利用率的提高。     

基于电磁力滤波的潜载定向能随动系统振动控制

潜航器在潜行时,由于来流和艇体的相互作用,潜航器及其所搭载的光电跟瞄系统会受到外界流场的扰动,使其产生不同频率和幅度的振动。通过壁面电磁流体边界层控制来抑制光电跟瞄系统的流致噪声,估计目标处能量累积控制效果。基于有限体积方法,分析雷诺数1×10⁷条件下同时具有6°偏航角和10°俯仰角的潜航器在有无流向电磁力控制时的流体动力学特征;对复合轴控制过程中直流力矩电机和快速反射镜两个执行机构进行建模并推演了系统的传递函数;大地坐标系下的潜航器力矩扰动通过坐标变换的方式转化到光轴坐标系下,将其作为扰动输入给复合轴控制系统,进一步用MATLAB仿真估计电磁力优化滤波方式对复合轴输出误差的补偿与控制效果。结果显示,电磁流体控制能改变艇体壁面的流场结构,抑制高频扰动涡,且能有效地增强目标区域内光斑的能量累积密度。     

潜载随动系统的扰动特征与复合轴补偿机理研究

当潜艇在水下高速行进时,海水会在潜艇表面形成脱体边界层和分离涡,大尺度分离涡的生成和脱体会引起潜艇力与力矩的大幅度波动,从而影响潜载激光武器随动系统的跟瞄精度与毁伤效能。以潜载激光武器粗精复合轴跟瞄系统为研究对象,分析了潜艇流噪声对粗、精两级跟踪输出误差的影响。基于流体力学基本控制方程,通过层次结构网格下的有限体积法分析了1×10⁷雷诺数下6°偏航角潜艇的流体动力学特性,并通过坐标解算将流体对艇体的扰动转化到光轴坐标系;获得了粗、精复合轴随动系统的传递函数,搭建了闭环控制器,获得了粗、精通道对特征输入信号的时域响应特性;分析了粗、精复合轴随动系统对潜艇流场扰动输出误差的补偿效果,并从流场演化和压力矩脉动层面分析了大尺度分离涡对跟瞄输出误差的影响。研究结果表明：粗、精复合轴随动控制系统可以有效补偿潜艇扰动带来的光轴输出误差,方位角、俯仰角的波动和跟瞄输出误差主要由围壳端面产生大尺度分离的梢涡引起的压力矩脉动造成,艇身扰动因其周期较长而对输出误差没有特别的影响。     

某型光电跟瞄平台跟踪回路的设计与实现

简要介绍了光电跟瞄平台的功能,分析了跟踪系统的构成,提出了一种对陀螺稳定平台跟踪回路的设计方法,并简要介绍了跟踪回路的软硬件实现及结果。     

三维运动声阵列对双点声源角跟踪指向性能研究

为了研究三维运动声阵列对真实目标在双点声源干扰下的二维角跟踪指向问题,分析了多点声源干扰的基本原理,建立了运动声阵列在双点声源下的角度跟踪指向性能数学模型;根据干扰目标与跟踪目标的声信号特性差异,分析了运动声阵列抗点声源干扰时的角度跟踪性能,得到了运动声阵列角度跟踪指向与干扰因素之间的关系;基于等功率双点声源辐射的假设下,建立了运动声阵列抗点声源干扰的角度跟踪指向评价指标,为进一步研究运动声阵列对多源声目标跟踪理论奠定了基础。